陰離子聚丙烯酰胺的性質(zhì)與作用及其相關(guān)化學(xué)因素

陰離子聚丙烯酰胺的性質(zhì)與作用及其相關(guān)化學(xué)因素

      陰離子聚丙烯酰胺存在一部分-CONH₃ ，具有弱的陽(yáng)離子性。將其用堿部分水解而導入羧基（-COOH）后，由于兩種離子的靜電吸引，聚合物鏈卷曲，凝聚能力下降。繼續進(jìn)行水解，羧基部分電離，由于羧基之間的排斥力，聚合物呈弱陰離子性，分子鏈程較舒展狀態(tài)，而使有效鏈增長(cháng)。由于體系中的膠體顆粒大多呈負電性，所以懸浮膠體顆粒與絮凝劑分子間的結合不是靠羧基而是與酰胺基形成氫鍵結合。因此，要使聚丙烯酰胺充分發(fā)揮其架橋作用，需使分子鏈張開(kāi)，是酰胺基充分暴露出來(lái)，以便與顆粒接觸及吸附。

 

      在廢水處理中常用陰離子聚丙烯酰胺，由于其本身與水中膠體顆粒帶有同樣的負電荷，所以在使用過(guò)程中需與Al₃⁺等一些陽(yáng)離子金屬鹽配合使用，陽(yáng)離子的Al₃⁺與陰離子聚丙烯酰胺和膠體顆粒間都可發(fā)生靜電吸附作用，使陰離子聚丙烯酰胺和膠體顆粒的橋聯(lián)作用加強，產(chǎn)生的絮體更大、更結實(shí)、不易破碎。

 

       關(guān)于高分子絮凝劑的作用原理，一般認為是“吸附-電中和—橋連”原理。污泥水中的膠體顆粒大多帶負電，而陰離子聚丙烯酰胺具有弱的陽(yáng)離子性。

 

        在絮凝過(guò)程中，高分子濃度較低時(shí)，吸附在顆粒表面上的高分子長(cháng)鏈可能同時(shí)吸附在另一個(gè)顆粒的表面上，通過(guò)“架橋”方式將兩個(gè)或更多的微粒聯(lián)在一起，從而導致絮凝，這就是發(fā)生高分子絮凝作用的“架橋”機理。架橋的必要條件是顆粒上存在空白表面，如果溶液中的高分子濃度很大，顆粒表面已完全被所吸附的高分子所覆蓋，則顆粒不再會(huì )通過(guò)架橋而絮凝，此時(shí)高分子起的是保護作用。使用，絮凝實(shí)驗中，高分子的加入量存在一個(gè)較佳值，超過(guò)此值時(shí)，絮凝效果反而下降。

 

       污泥水中的帶電顆粒被PAM橋聯(lián)，則PAM需能跨越膠體顆粒間的雙電層的排斥作用范圍，即PAM跨越膠體顆粒間的相互作用時(shí)，架橋才成為可能。

 

       絮凝效果的好壞取決于很多因素，但主要取決于兩個(gè)因素：（1）混凝劑水解后產(chǎn)生的壓縮雙電層機理、吸附電中和作用機理及高分子絡(luò )合物形成吸附架橋的連接能力，這是由混凝劑的性質(zhì)決定的；（2）微小顆粒碰撞幾率和如何控制他們進(jìn)行合理有效的碰撞。顆粒在水中的接觸碰撞，主要有5種途徑：（1）顆粒的布朗運動(dòng)；（2）顆粒間的沉速差異；（3）層流剪切；（4）素流剪切；（5）素流慣性碰撞。后三種歸結為流動(dòng)水體的水力作用。而流動(dòng)水體的素流動(dòng)力作用對顆粒絮凝起主導作用。

 

       基于“機械力化學(xué)”的提出，流體中加入藥劑后，在較初始階段，施加適當的剪切力后，改善和加快了流體里物質(zhì)的物理、化學(xué)變化，或者改變了物質(zhì)的物理、化學(xué)變化，因而提出了“流體力化學(xué)”。

 

       流體力化學(xué)因素影響顆粒的碰撞。根據DLVO理論，當粒徑為10μm（比較體粒徑大，在懸浮物粒徑范圍內），即10^-3cm時(shí)，它的運動(dòng)速度v=0.008 90cm/8 ，由于運動(dòng)速度太小，在布朗運動(dòng)作用下，不能產(chǎn)生有效的碰撞，即不能產(chǎn)生凝聚和絮凝。當剪切污泥水溶液時(shí)，體系形成素流運動(dòng)，給顆粒一定的能量。

 

       當對污泥水施加剪切力時(shí)，每個(gè)顆粒的運動(dòng)能與粒徑的5次方成正比。所以剪切使粒徑較大的顆粒動(dòng)能較大，而粒徑較小的顆粒動(dòng)能較小，由此顆粒間產(chǎn)生了速度梯度，提高了顆粒碰撞的幾率。此外，機械攪拌能使形成的絮凝體在污泥層中受到相互摩擦和擠壓作用，從而有利于形成密實(shí)的顆粒群。因此施加的剪切力對絮凝作用利。

 

       另外，離心剪切流場(chǎng)中的二次流對顆粒碰撞產(chǎn)生影響。流場(chǎng)是由剪切力引起的，就像電場(chǎng)一樣，是看不見(jiàn)摸不著(zhù)的。二次流是當流體流動(dòng)時(shí)，只要有使流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生偏離主流方向的力或由于邊界條件存在，就會(huì )有偏離流體主流方向的流動(dòng)貨移動(dòng)。

攪拌槽中，二次流主要是離心力引起的，并且發(fā)生在圓筒形攪拌桶。在攪拌槽內流體進(jìn)行著(zhù)復雜的三維流動(dòng)，可用圓柱坐標將這種流動(dòng)分解成周向流、徑向流和軸向流。根據攪拌槳所產(chǎn)生的宏觀(guān)流動(dòng)場(chǎng)的形態(tài)，將其分為徑向流攪拌槳、軸向流攪拌槳及其他混合流攪拌槳。典型的徑向流攪拌槳為直葉片式攪拌桶。

 

        通過(guò)建立離心剪切流場(chǎng)的實(shí)體模型，利用多普勒激光測速儀，對試驗數據進(jìn)行分析。在絮凝階段，由于絮體的生產(chǎn)經(jīng)歷微絮體和大絮體這兩個(gè)階段，每個(gè)階段要求的水力條件不一樣，微絮體要求水力條件較大，大絮體要求較小，所以，流體中施加的剪切力要求適當，一方面要有利于二次流產(chǎn)生，使二次流中的顆粒與主流中的顆粒發(fā)生碰撞形成微絮體，縮短顆粒間反應時(shí)間，提*率；另一方面，要避免形成的大絮體破壞，以加快絮體沉降。

 

以上使我們可以了解（1）污泥水絮凝沉降實(shí)驗中，PAM的投入量、對藥劑PAM和污泥水混合物的剪切轉速和剪切時(shí)間對污泥水沉降效果有影響。PAM的投入量、藥劑投入瞬間對藥劑與污泥水混合物進(jìn)行的強剪切轉速和剪切時(shí)間都存在一較佳值。而對藥劑和污泥水強剪切后進(jìn)行的弱剪切時(shí)間越長(cháng)，污泥水沉降效果越好；弱剪切轉速越大，污泥水沉降效果越好。但不宜過(guò)大，避免大絮體的破壞。

（2）PAM絮凝機理主要“架橋”絮凝。PAM能夠使膠體顆粒橋聯(lián)，需能跨越膠體顆粒間的相互作用能。

（3）流體力化學(xué)因素影響PAM的絮凝作用，主要是由于施加的剪切力提供了顆粒間的速度梯度。另外，攪拌槽中施加的剪切力產(chǎn)生的離心剪切流場(chǎng)的二次流使主流和二次流的顆粒碰撞幾率提高，加快絮凝反應。